基于GaN HEMT宽带高效率功率放大器的设计

程知群，轩雪飞，刘国华，赵子明

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)

基于GaN HEMT宽带高效率功率放大器的设计

程知群，轩雪飞，刘国华，赵子明

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)

设计一款工作于0.8 GHz～3.0 GHz的宽带功率放大器，有源器件采用Cree公司提供的CGH40010F GaN HEMT晶体管.利用ADS软件对功率管的大信号模型进行负载牵引，进而获得可以实现高效率最佳的负载阻抗和源阻抗，通过使用渐变式阻抗匹配的方法有效地拓展了功率放大器的带宽，并且保持了较高的效率.通过仿真最终对加工出来的实物分别进行小信号与大信号测试，实测结果表明，在0.8 GHz～3.0 GHz的频率范围内，相对带宽达到116%，小信号S21的实测值为14 dB～18 dB,大信号输出功率为40.15 dBm～42.25 dBm，漏极效率为50.0%～66.3%，增益为9.15 dB～11.25 dB，仿真与实测结果基本一致.

宽带；功率放大器；高效率；GaN HEMT晶体管

0 引 言

近些年来，无线通信收发系统朝着低能耗、高效率、高输出功率和宽频带的方向飞速发展[1-3].为了缓解目前频谱资源日益紧张的现状，现代通信和军事电子系统采用的频段普遍都比较高，带宽很宽.因此，运用于此方面的相应射频功率放大器为宽频带功率放大器.这同时也触发了人们对于高输出功率、高效率的宽带功率放大器的需求[4-6].同时，功率放大器作为收发系统中最重要也是最耗能的组成模块之一，它对于减小收发系统能耗起着至关重要的作用[7-9].因此,在通信系统中，提高功率放大器的工作带宽和效率以及输出功率成为了人们不懈追求的热门方向.如果一个功放可以工作于不同频带，就可以应用于不同的收发系统，这将在通信成本上减少一笔巨大的研发投资.例如，在最新的4G通信标准中，一个可以覆盖中国联通、中国电信和中国移动三大运营商频段的功率放大器将具有巨大的商业价值.本文采用Cree公司提供的功率晶体管CGH40010F，利用ADS对晶体管进行阻抗扫描进而获得可以实现高效率的最优负载阻抗与源阻抗，通过阻抗渐变式匹配进行电路设计，并通过仿真和优化实现了比较理想的性能.

1 晶体管最优负载阻抗与源阻抗

本文设计中的晶体管采用的是Cree公司提供的CGH40010F，将晶体管的大信号模型导入高频仿真软件ADS中，栅极偏置设为-2.7 V,漏级偏置设为28 V，输入功率固定为29 dBm.利用软件自带的负载牵引系统对晶体管进行阻抗扫描，从而获得最优的负载阻抗与源阻抗.因为所使用的晶体管为封装管，所以晶体管的最优源阻抗与负载阻抗会随着频率在不断变化.在0.8 GHz～3.0 GHz范围内测得的阻抗如图1所示，为2条随着频率变化的曲线，仿真所得的特定频点下的最优源和负载阻抗以及相较于50 Ω的归一化阻抗如表1所示.

图1 源阻抗与负载阻抗

频率/GHz0.81.52.02.53.0源阻抗/Ω11+j136.4+j3.95+j0.54-j43.8-j10.4源阻抗/50Ω0.22+j0.260.13+j0.20.1+j0.10.08-j0.080.076-j0.21负载阻抗/Ω12+j108.8+j3.97+j1.76.4-j0.15.45-j5.1负载阻抗/50Ω0.24+j0.20.18+j0.080.14+j0.0340.13-j0.0020.11-j0.1

2 电路设计

2.1 匹配电路的设计

功率放大器的性能取决于匹配电路的设计，因此，匹配电路是功率放大器设计的核心.对于宽带匹配而言常用的匹配方式包括分布式、负反馈、平衡式、达林顿结构、阻抗渐变和多枝节匹配等.每种结构都有自己相应的特点和适用的要求，所以在设计时要采用适当的方法实现宽带匹配，就多枝节和渐变式匹配而言，其拓展带宽的原理大致相同，都是通过压低匹配电路的节点品质因数Q，从而达到拓展带宽的目的.但是，多枝节匹配存在一些问题，各枝节的电磁耦合往往比较严重，同时还会增加电路的版图面积，因此相较于渐变式匹配，其存在的一些缺点往往是不可忽视的.

渐变式阻抗匹配是将多节微带线进行串联，通过不断优化匹配路径，降低匹配电路的节点品质因数，实现宽带匹配.匹配电路原理图如图2所示，匹配路径图如图3所示，假如要实现的频带为(f1,f2)，将阻抗由Term1端口匹配到Term2端口,匹配路径有路径一或路径二，两条匹配路径如图2所示.则Q=0.5(f1+f2)/(f1-f2)，Q值曲线如图3所示，如果要实现前述要求，频带宽度为f2-f1.则至少要求匹配路径在Q值曲线以内，因此，选用路径一将不能实现上述要求，而路径二却可以很好的在所要求的带宽内实现匹配.因此，渐变式阻抗匹配可以很好地解决宽带匹配问题.

图2 渐变式阻抗匹配原理图

图3 渐变式阻抗匹配路径

2.2 整体拓扑结构的实现

利用仿真软件测出晶体管的最优负载阻抗和源阻抗，因为阻抗匹配只能匹配单点，因此对于0.8 GHz～3.0 GHz的频率范围内，匹配频点的选择也尤为重要.为了兼顾整个频段，选择接近中心频点2 GHz，分别对输入输出端进行匹配，采用渐变式阻抗匹配最终实现整体拓扑结构如图4所示.

图4 电路拓扑结构图

3 测试结果与分析

将仿真好之后的电路版图进行投板加工，对实物分别进行了小信号与大信号的测试.小信号的测试结果如图5所示，实测的结果与仿真结果基本上是一致的，小信号增益S21维持在14 dB以上，其中S11与S22实测的效果要比仿真还要好，S11基本都在-5 dB以下，S22基本在-10 dB以下，在如此宽的频带上维持这样一个效果，说明了匹配电路设计的合理性，这也同样证实了前面提到的渐变式阻抗匹配的可行性.大信号测试如下图6所示，实测的输出功率在40.00 dBm～42.25 dBm,漏极效率在50.0%～66.3%、增益在9.15 dB～11.25 dB，在整个频段内仿真与实际测试达到了基本一致效果.其中在低频段0.8 GHz～1.6 GHz漏级效率相对比较低，都在60%以下，虽然此时输出功率高于高频段，但是效率却降低，是因为此时直流损耗更大，因此只有在保证输出功率的同时，减小直流损耗，才能有效地提高效率.

图5 S参数仿真与实测对比

图6 漏极效率、输出功率、增益仿真与实测对比

4 结束语

本文采用CGH40010F晶体管设计了一款功率放大器，采用了阻抗渐变式匹配.在0.8 GHz～3.0 GHz的频带范围内分别进行了大信号与小信号的测试，测试结果表明，在整个频带内，输出功率维持在10 W以上，漏极效率在50%以上.由此可以进一步看出阻抗渐变式匹配在宽带匹配中的效果，维持功率放大器高性能的同时有效地拓展了带宽.当然，本设计还有进一步改进的空间，可以将谐波控制的思想加入到输入输出匹配网络中，将功率放大器的效率和输出功率等性能进一步提升.

[1] Abdrahman B M, Ahmed H N, Gouda M E. Design of a 10W, highly linear, ultra wideband power amplifier based on GaN HEMT[C]//Engineering and Technology (ICET),2012 International Conference on.IEEE,2012:1-5.

[2] Ding X, He S, You F, et al. 2-4 GHz wideband power amplifier with ultra-flat gain and high PAE[J]. Electronics Letters,2013,49(5):326-327.

[3] Ma L, Zhou J, Yu Z. Design of a class-F power amplifier with expanding bandwidth[C]//2015 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC). IEEE,2015,1:1-3.

[4] Kang T, Park Y. Expanding bandwidth of class-F power amplifier with harmonic structures[C]//2013 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings (APMC). IEEE,2013:748-750.

[5] Tuffy N, Guan L, Zhu A, et al. A simplified broadband design methodology for linearized high-efficiency continuous class-F power amplifiers[J]. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on,2012,60(6):1952-1963.

[6] Aridas N K, Yarman B S, Chacko P. Wideband power amplifier for two-way radio applications via real-frequency technique[J]. Electronics Letters,2014,50(23):1762-1764.

[7] Cripps C. RF Power Amplifiers for Wireless Communication[M]. Norwood, MA: Artech House,2006:285-334.

[8] Du X, Shao Z, You C, et al. A new method of designing high efficiency and wideband power amplifier[C]//Communication Problem-Solving (ICCP),2014 IEEE International Conference on. IEEE,2014:638-641.

DesignofGaNHEMTBroadbandHighEfficiencyPowerAmplifier

CHENG Zhiqun, XUAN Xuefei, LIU Guohua, ZHAO Ziming

(KeyLaboratoryofRFCircuitandSystem,MinistryofEducation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

A broadband power amplifier operating at 0.8 GHz～3 GHz is designed. The active device is CGH40010F GaN HEMT transistor from Cree. By performing load-pull ADS simulation to the large signal model of the power tube, the optimal load impedance and source impedance can be obtained to realize high efficiency. Employing the tapered impedance matching method, the bandwidth of the power amplifier is effectively expanded with higher efficiency. Simulation design of the circuit schematic is processed. And the small signal and the large signal are tested respectively. The measurements show that the small signal S21 is in the range of 14 dB～18 dB with the test frequency range of 0.8 GHz～3 GHz and the relative bandwidth of 116%. The large signal output power is 40.15 dBm～42.25 dBm, with drain efficiency 50.0%～66.3% and gain 9.15 dB～11.25 dB. The simulation results are basically consistent with the measurements.

broadband; power amplifier; high efficiency; GaN HEMT transistor

10.13954/j.cnki.hdu.2017.06.001

2016-12-19

浙江省公益技术研究资助项目(2016C31070)

程知群(1964-)，男，安徽巢湖人，教授，射频电路与系统.

TN454

A

1001-9146(2017)06-0001-04